雙源CT分析結(jié)石成分的臨床應(yīng)用進展

鄭媛慧,崔曉東(綜述),徐衛(wèi)國(審校)

同濟大學(xué)附屬同濟醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科,上海 200065

泌尿系結(jié)石(urinary stones disease)在泌尿外科是一種常見的疾病,在國外每年的發(fā)生率為10%～30%[1]。我國南方地區(qū)發(fā)生率較高,是世界上3個主要泌尿系結(jié)石高發(fā)區(qū)之一[2]。泌尿系結(jié)石成分主要有草酸鈣、磷酸鈣、尿酸、胱氨酸以及磷酸銨鎂,大多數(shù)結(jié)石是以混合結(jié)石的形式存在[3]。目前發(fā)現(xiàn)結(jié)石有以下幾種方法:(1)常規(guī)B超診斷能有效發(fā)現(xiàn)結(jié)石;(2)腹部立臥位X線攝片可發(fā)現(xiàn)含鈣的陽性結(jié)石;(3)腹部計算機斷層掃描(CT)能判斷結(jié)石大小。但這些方法都不能準(zhǔn)確判斷結(jié)石主要化學(xué)成分,均具有局限性。雙源CT系統(tǒng)的雙能量掃描可以鑒別物質(zhì)化學(xué)成分,具有輻射劑量低、效率高的優(yōu)點,突破了其他檢查手段的局限。

1 雙源CT的更新?lián)Q代歷程

1.1 第一代雙源CT

全球首臺雙源CT(dual-source computer tomography,DSCT)于2005年推出,它是由兩套Sensation 64層CT的X線球管系統(tǒng)和兩套對應(yīng)的探測器信號采集系統(tǒng)整合而成[4]。機架內(nèi)兩個探測器成90°排列,分別對應(yīng)AB球管。機架最短旋轉(zhuǎn)時間是0.33 s,最大螺距為1.5,雙能量成像視野為26 cm,心臟平均采集時間為7 s,時間分辨率是83 ms。雙源CT有兩種工作模式,在單源模式下相當(dāng)于64層CT;而在雙源模式下,兩套系統(tǒng)同時工作,球管和探測器只需旋轉(zhuǎn)90°,即可獲得2組數(shù)據(jù),時間分辨率提高了一倍,主要用于心臟等方面的檢查[5]。

1.2 第二代雙源CT

第二代雙源CT在第一代的基礎(chǔ)上性能有了明顯的提升,也被稱為炫速雙源CT,推出時間為2008年,國內(nèi)應(yīng)用于臨床是在2010年[6]。它是由兩個X線球管和兩組128層探測器構(gòu)成,兩個X線球管的夾角由原來的90°增加到94°,這個變化使得雙能量成像視野由原來的26 cm擴大到33 cm,獲得了更合適的焦點,也改善了因肥胖患者覆蓋不全的缺陷。全新的能譜純化技術(shù)(SPS),其電壓采用的是Sn100 kV和Sn140 kV,這種射線能譜組合提高了低能譜射線對人體穿透力和射線利用率,明顯減少了偽影[7];高能譜X線球管前設(shè)置了選擇性光子濾過器,去除了高能譜中的低能譜成分,使高能譜射線純化,顯著提高了碘成分的區(qū)分能力,在相同射線劑量的前提下可提高80%的碘區(qū)分能力[8]。

美國食品和藥物管理局(Food and Drug Administration,FDA)已經(jīng)認證了第二代雙源CT的 14 項雙能量臨床應(yīng)用檢查。雙能量去骨血管成像、心肌灌注、肺灌注、虛擬平掃、肺血管成像、泌尿系結(jié)石成分分析、痛風(fēng)結(jié)石判定、硬斑塊去除、腦灌注成像、肌腱韌帶、肺結(jié)節(jié)分析、肺氙氣成像等[6]。

1.3 第三代雙源CT

Force CT是2015年推出的最先進CT設(shè)備,也稱“雙源Turbo Flash超炫速CT”,即第三代雙源CT。機架由兩套X線球管和兩套全息光子探測器合成,最短旋轉(zhuǎn)時間為0.25 s,時間分辨率提高到66 ms,可有效減少運動偽影,成像視野50 cm大范圍覆蓋。第三代雙源CT的能譜純化技術(shù)(SPSⅡ)與上一代不同的是,電壓采用Sn100 kV和Sn140 kV,其中高能譜X線球管前添加了錫濾過器,減少了高低千伏之間的重疊,提高能量敏感性,使高能譜純化。Sn100 kV可以實現(xiàn)0.06 mSv全肺掃描,并獲得極佳的圖像質(zhì)量,肺結(jié)節(jié)的檢出率為94%[9]。

以上就是三代DSCT的發(fā)展變化,現(xiàn)將各代設(shè)備的主要參數(shù)羅列如下,見表1。

2 雙源CT雙能量掃描的原理

表1三代雙源CT主要參數(shù)對比

Tab.1Comparisonofmainparametersofthreegenerationsofdual-sourceCT

主要參數(shù)第一代雙源CT第二代雙源CT第三代雙源CT機架最短旋轉(zhuǎn)時間/s0.330.280.25單只球管最大功率/kW80100120最大螺距1.53.43.2時間分辨率/ms837566純譜雙能SPS無有Sn100/140 kV有Sn100/150 kV雙能量成像FOV/cm263350

雙能量技術(shù)是DSCT的一大特點,能在不使用碘對比劑的情況下,區(qū)分密度相近的組織結(jié)構(gòu)[10]。雙能量技術(shù)是利用物質(zhì)對X線衰減系數(shù)來區(qū)分組織結(jié)構(gòu)。當(dāng)能量從低kV變到高kV,物質(zhì)對X線的衰減變化有大有小。比如碘溶液和骨,當(dāng)X線能量從80 kV變化到140 kV,碘溶液對X線的衰減變化較大,骨對X線的衰減變化較小,通過兩者的衰減斜率就可以區(qū)分碘和骨這兩種密度相近的成分。同樣的原理,對于泌尿系結(jié)石這種物質(zhì),選取水、鈣、尿酸三種成分為參考,在高低雙能量的條件下,掃描結(jié)石,獲得三種成分對X線衰減斜率,可以辨別結(jié)石成分[11-12]。通過后臺處理軟件(syngo Dual Energy)程序運算,表現(xiàn)在可視的偽彩色圖像上或是能量曲線上。DSCT雙能量成像技術(shù)掃描泌尿系結(jié)石,不僅能識別和分辨物質(zhì),還能夠獲取反映物質(zhì)的能量圖像[13],對臨床分析泌尿系結(jié)石的化學(xué)成分有重要價值。

3 雙源CT分析結(jié)石成分在臨床上的應(yīng)用

3.1 在泌尿系結(jié)石的應(yīng)用

目前用于檢測結(jié)石成分的雙源CT已經(jīng)發(fā)展到了第三代,每一代新設(shè)備都在進步和改進,第一代設(shè)備的缺陷是孔徑太小,過于肥胖的患者會出現(xiàn)成像視野缺失,造成邊緣病灶遺漏的問題,第二代DSCT在原來的基礎(chǔ)上,把兩只球管夾角擴大成94°,這個改進使得成像視野增加了7 cm,改善了第一代的缺陷。但是第二代中的能譜純化技術(shù)兩只球管的管電壓是100 kV、140 kV,第三代DSCT優(yōu)化了球管管電壓,目前高能譜為150 kV,低能譜仍是100 kV,能夠用于區(qū)分組織密度更接近的成分了。

泌尿系結(jié)石分為單純性結(jié)石和混合性結(jié)石,某種成分結(jié)石含量占95%可以確定為單純性結(jié)石,含有兩種以上結(jié)石成分被確定為混合性結(jié)石[14]。

3.2 國內(nèi)研究

國內(nèi)研究大多數(shù)使用第二代雙源CT進行實驗,主要的研究手段是利用雙能量技術(shù)對體外結(jié)石成分進行分析,而近幾年對體內(nèi)結(jié)石的研究逐漸增多。目前國內(nèi)研究能夠準(zhǔn)確區(qū)分出純草酸鈣結(jié)石、尿酸結(jié)石、羥基磷灰石、胱氨酸類結(jié)石等[15]。

黎川等[16]使用第一代雙源CT進行體外預(yù)測泌尿系結(jié)石成分,能夠準(zhǔn)確區(qū)分尿酸類結(jié)石、胱氨酸類結(jié)石和含鈣結(jié)石,但第一代雙源CT未能準(zhǔn)確區(qū)分含鈣結(jié)石和羥基磷灰石,以及不同成分的含鈣結(jié)石。

隨著第二代雙源CT的問世,其在140 kV的球管前安裝了錫濾過器,增加了高能譜X射線純度,減少了與100 kV低能譜的重疊,從理論上講提高了鑒別物質(zhì)的能力。國內(nèi)學(xué)者劉宗才等[17]證實了第二代雙源CT能夠區(qū)分含鈣結(jié)石與羥基磷灰石。該研究選取了118例患者的泌尿系純結(jié)石在體內(nèi)進行了研究,對患者行雙能量掃描,將DSCT的掃描結(jié)果與紅外光譜比較,能準(zhǔn)確區(qū)分純尿酸結(jié)石(靈敏度和特異度均為100%),較準(zhǔn)確地區(qū)分草酸鈣結(jié)石(靈敏度為100%,特異度為89.9%),純羥基磷灰石(靈敏度為84.6%,特異度為100%)。雙能量檢測出了胱氨基結(jié)石,但紅外能譜未檢測出來,對純胱氨基結(jié)石的診斷存在假陽性。

凃備武等[18]也得出了相同的結(jié)論,雙能能顯示1顆純胱氨酸結(jié)石,6顆混合胱氨酸結(jié)石,但光譜未發(fā)現(xiàn)含胱氨酸的結(jié)石,故均為假陽性。但國外有文獻報道胱氨酸與草酸鈣和磷灰石等差別顯著,可以區(qū)分[19]。該研究中還指出,雙能量掃描能夠顯示的混合結(jié)石多表現(xiàn)為不同成分相對集中于一定區(qū)域,即便如此也只能表明為混合結(jié)石,至于何種成分混合,仍然難以確認。

關(guān)于混合結(jié)石的分析,王小剛等[20]收集了134例泌尿系患者術(shù)后獲得的結(jié)石標(biāo)本,將標(biāo)本放入豬腎建立體外模型,并將其放入水槽中模擬人體環(huán)境。在相同條件下對三組混合結(jié)石驗證其差異性,分別為第一組混合結(jié)石(草酸鈣和磷酸鹽)、第二組混合結(jié)石(草酸鈣和尿酸鹽)、第三組混合結(jié)石(磷酸鹽和尿酸鹽)。在80 kVp、140 kVp、雙能量值上第一組與第三組比較差異均具有顯著性意義;在DEI值(dual energy index)上第一組與第二組差異有顯著性意義。該研究證實了第二代雙源CT具有區(qū)分混合結(jié)石的能力,但畢竟是基于體外模型的實驗,不能夠完全取代結(jié)石在體內(nèi)的環(huán)境,因此雙源CT用于體內(nèi)預(yù)測混合結(jié)石的臨床應(yīng)用,還有待進一步探討和研究。

對于泌尿系混合結(jié)石的組成成分,國內(nèi)學(xué)者大多集中在定性分析,即混合結(jié)石的組成成分中包含哪幾種類型結(jié)石,然而較少有研究表明混合結(jié)石中各類型結(jié)石所占比例是多少,即定量分析。國外學(xué)者經(jīng)過研究表明,第三代雙源CT能夠準(zhǔn)確區(qū)分混合結(jié)石,且能定量分析結(jié)石成分,但在國內(nèi)還鮮有相關(guān)方面的研究。

3.3 國外研究

國外大多以第二代雙源CT為研究設(shè)備,對泌尿系結(jié)石分析主要在體內(nèi)進行,以定性分析為主,而隨著第三代雙源CT逐漸走向市場,更多的學(xué)者開始對泌尿系結(jié)石成分進行定量分析的研究。

在體外評估混合結(jié)石的基礎(chǔ)上,Zhang等[21]在體內(nèi)進行了混合結(jié)石的研究,該研究共納入81例泌尿系結(jié)石。根據(jù)紅外光譜證實,43塊是純結(jié)石,38塊是混合結(jié)石。第二代雙源CT正確識別了所有純結(jié)石和36種混合結(jié)石的主要成分。而其他2種混合結(jié)石的主要成分被誤判為草酸鈣。雙源CT用于預(yù)測結(jié)石主要成分的整體準(zhǔn)確率為97.5%(79/81)。DSCT檢測4種類型混合物(尿酸、半胱氨酸、羥基磷灰石和草酸鈣)的準(zhǔn)確度分別為97.5%、93.8%、80.2%和93.8%。該研究表明DSCT能準(zhǔn)確檢測出尿酸、半胱氨酸和草酸鈣的混合結(jié)石。

2015年McCollough等[22]使用不同的研究方法,將第三代雙源CT體外評估的結(jié)果與第二代進行對比。使用第三代雙源CT在100 kV和Sn150 kV的情況下,改善了不用體膜大小中混合結(jié)石的分類,使混合結(jié)石的成分更加精確,并明確了從磷灰石中分辨草酸鈣結(jié)石的能力。

2016年Williams等[23]又進一步探討使用第三代雙源CT來量化混合結(jié)石中尿酸與非尿酸的可行性,這是一項體外研究,該學(xué)者將24例混合結(jié)石放在水模型中,使用雙能量進行掃描,對不同的模型記錄CT值和計算結(jié)石像素,預(yù)設(shè)閾值1.10至1.70,將每個像素分類為尿酸和非尿酸。將結(jié)果與顯微CT獲得的參考標(biāo)準(zhǔn)對比,結(jié)果表明雙能CT和顯微CT在尿酸與非尿酸混合結(jié)石組成上無顯著差異(P均>0.05)。該研究表明了第三代雙源CT可以對混合結(jié)石尿酸與非尿酸成分進行量化,但樣本量較小,且是體外評估,真正用于臨床診斷還需大量的體內(nèi)研究來證實。

4 結(jié)語

隨著雙源CT技術(shù)發(fā)展不斷提高,學(xué)者最先對純結(jié)石展開研究,到后來研究對象轉(zhuǎn)向混合結(jié)石,截止到第三代雙源CT出現(xiàn),對純結(jié)石的區(qū)分越來越準(zhǔn)確,能辨別的混合結(jié)石成分越來越多,甚至能夠量化混合結(jié)石成分,但用于體內(nèi)診斷還需大量臨床實驗來證實。目前國內(nèi)對泌尿系結(jié)石的分析還停留在定性研究的水平,而國外已有定量分析結(jié)石的相關(guān)研究。第三代雙源CT不僅能區(qū)分純結(jié)石,尿酸與非尿酸結(jié)石、尿酸結(jié)石與含鈣結(jié)石[24]等,還能區(qū)分混合結(jié)石,含尿酸,草酸鈣和胱氨酸的混合結(jié)石。雖然體內(nèi)分析結(jié)果不如體外分析準(zhǔn)確,但就目前文獻報道的結(jié)果來看,尿酸與草酸的分析對臨床具有相對較高的實用價值[18]。有研究指出,純草酸鈣結(jié)石與碳酸磷、草酸鈣混合結(jié)石等衰減特性相近不易區(qū)分[2]。日后隨著能譜純化技術(shù)更加細化,有望區(qū)分原子序數(shù)較相近的成分。國外研究表明,使用第三代雙源CT可以量化含尿酸與非尿酸的混合結(jié)石[23]。將來還可以進一步量化非尿酸成分間的結(jié)石,這是今后研究的方向。非尿酸成分組成的混合結(jié)石彼此有效原子序數(shù)的差異比尿酸與非尿酸的混合結(jié)石還要小,若能量化非尿酸成分的混合結(jié)石,對臨床意義重大。